內(nèi)燃機(jī)缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)的開發(fā)

湯必強(qiáng)，張 彥，王 虎 ，趙永強(qiáng)

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100000）

1 引言

內(nèi)燃機(jī)中缸套的核心功能是引導(dǎo)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與缸蓋、活塞等形成密封的燃燒空間，是內(nèi)燃機(jī)的核心零件。由于缸套工作時(shí)直接與高溫燃?xì)饨佑|，同時(shí)又承受氣體爆發(fā)壓力和螺栓預(yù)緊力的作用，工作狀況十分惡劣，極易出現(xiàn)過(guò)大變形和應(yīng)力，甚至損傷，導(dǎo)致整機(jī)故障。為了提高內(nèi)燃機(jī)壽命和可靠性，同時(shí)考慮熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，對(duì)缸套進(jìn)行熱機(jī)耦合分析非常必要[1]。

內(nèi)燃機(jī)缸套種類多、尺寸差異大、工況條件復(fù)雜，采用有限元分析軟件（如ANSYS、Abaqus等）進(jìn)行熱機(jī)耦合分析時(shí)，需對(duì)不同缸套個(gè)體進(jìn)行重復(fù)建模，邊界條件的計(jì)算和加載費(fèi)時(shí)，效率低，同時(shí)分析軟件對(duì)使用人員的專業(yè)知識(shí)要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中難以被推廣使用[2-4]。針對(duì)以上問(wèn)題，從缸套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際工況出發(fā)，利用JAVA平臺(tái)，采用ANSYS參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL進(jìn)行二次開發(fā)，建立了多類型內(nèi)燃機(jī)缸套的熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)?？梢暬缑婵蓪?shí)現(xiàn)缸套關(guān)鍵參數(shù)的輸入，進(jìn)而自動(dòng)完成缸套的建模、物性參數(shù)復(fù)制、網(wǎng)格劃分、邊界條件施加、有限元計(jì)算，最后顯示結(jié)果數(shù)據(jù)和圖像，快速完成缸套的熱機(jī)耦合分析[5]。系統(tǒng)的特點(diǎn)在于建立具有參變量的缸套分析流文件，實(shí)時(shí)修改和賦值，通過(guò)編制的ANSYS接口，快速完成缸套的熱機(jī)耦合分析[6]。最后以某型號(hào)柴油機(jī)干式缸套為例，應(yīng)用本熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，通過(guò)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證其可靠性。

2 熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)主要分為可視化操作界面和參數(shù)化編程計(jì)算這兩個(gè)模塊，前者采用JAVA語(yǔ)言編寫，后者基于ANSYS平臺(tái)采用APDL語(yǔ)言完成，兩者之間通過(guò)接口模塊實(shí)現(xiàn)模塊之間的信息傳遞。可視化操作界面，針對(duì)缸套的結(jié)構(gòu)、尺寸和分析類型，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔操作界面，完成結(jié)構(gòu)類型、幾何參數(shù)、物性參數(shù)、邊界條件等的選擇和輸入，同時(shí)具有后處理的結(jié)果顯示的功能。分析系統(tǒng)流程，如圖1所示。

圖1 缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow Chart of Cylinder Sleeve Hot Machine Coupling Analysis System

2.1 界面操作模塊

可視化操作界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，針對(duì)性強(qiáng)，通過(guò)友好界面可輸入幾何尺寸參數(shù)、物性參數(shù)、邊界條件參數(shù)等數(shù)據(jù)。計(jì)算模塊完成有限元計(jì)算后，關(guān)鍵結(jié)果數(shù)據(jù)可顯示在界面中，并可通過(guò)按鈕一鍵查看應(yīng)力云圖。內(nèi)燃機(jī)缸套類型較多，本系統(tǒng)將對(duì)不同的缸套選用不同的參數(shù)化模型建模，并給出對(duì)應(yīng)的橫截面尺寸參考圖，方便對(duì)照查看輸入，避免數(shù)據(jù)輸入混亂。數(shù)據(jù)輸入后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和合理性，如存在錯(cuò)誤，系統(tǒng)將給出錯(cuò)誤提示，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和修正，直到數(shù)據(jù)通過(guò)檢測(cè)為止。針對(duì)不同材料，系統(tǒng)給出幾種典型缸套材料的參數(shù)，通過(guò)選擇來(lái)對(duì)缸套和缸體賦予材料屬性，同時(shí)也可修改和添加材料參數(shù)，將參數(shù)擴(kuò)充到材料庫(kù)中，供后期隨時(shí)調(diào)用。為提高效率，系統(tǒng)采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，單元尺寸根據(jù)缸套壁厚參數(shù)確定。缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)界面，如圖2所示。

圖2 缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of Heat Engine Coupling Analysis System of Cylinder Liner

2.2 計(jì)算分析模塊

參數(shù)化編程計(jì)算模塊是整個(gè)分析系統(tǒng)的核心，包括所有類型的命令流模板、批處理文件和材料參數(shù)庫(kù)。該模塊中可通過(guò)編制的接口供上層JAVA調(diào)用，完成數(shù)據(jù)的傳輸和修改。在該模塊中通過(guò)批處理文件來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的命令流文件。其中命令流文件包括干式缸套、濕式缸套、壓入式缸套、針刺缸套和噴鋁缸套；每個(gè)命令流文件都對(duì)應(yīng)一個(gè)批處理文件來(lái)將其執(zhí)行；命令流文件決定著分析的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)復(fù)雜程度。完整計(jì)算分析過(guò)程如下：根據(jù)缸套類別，輸入缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)界面相關(guān)數(shù)據(jù)；檢測(cè)數(shù)據(jù)有效合理性，輸入并更改流文件；通過(guò)批處理方式執(zhí)行命令流文件；對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行提取顯示。

3 ANSYS的二次開發(fā)

3.1 ANSYS與JAVA接口

ANSYS軟件是應(yīng)用最廣的有限元分析軟件之一，該軟件實(shí)用性強(qiáng)和開放性好，其自帶的參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL常用來(lái)進(jìn)行有限元分析的二次開發(fā)[7]。本系統(tǒng)中，可視化模塊采用JAVA語(yǔ)言，計(jì)算模塊由ANSYA的APDL語(yǔ)言執(zhí)行。系統(tǒng)中需將界面輸入的數(shù)據(jù)傳遞到流文件，并通過(guò)接口由ANSYS在后臺(tái)執(zhí)行流文件，相關(guān)的分析結(jié)果即可由ANSYS分析得出。所以，該分析系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從界面準(zhǔn)確傳輸?shù)紸NSYS流文件中。以干缸套為例，列出核心代碼如下：

Buffered Writer bw =new Buffered Writer （new Output Stream Writer（new File Output Stream（file1）））；//緩沖內(nèi)容寫入新的流文件

sb.append（"D="+change_6[0]+" "）； //界面數(shù)據(jù)賦值變量

My File Read and Write.replace TxtByStr （old Parameter，sb.to String（），new txtDir）；//替換命令流

String new txtDir="E：WorkATGLTotalWorkFile/CDryNo1.txt"； //新的命令流文件地址

StringnewbatDir="E：WorkATGLTotalWorkFile/DryNol.bat"； //批處理文件地址

Runtime.getRuntime（）.exec（new batDir）；//批處理文件執(zhí)行程序

3.2 文件環(huán)境變量

為解決文件的存儲(chǔ)讀取問(wèn)題，分別建立環(huán)境變量ANSYS、WORK_DIR和WORK_DIR_1。三個(gè)環(huán)境變量值分別為ANSYS安裝目錄、系統(tǒng)工作目錄和流文件庫(kù)安裝目錄。定義：String m=System.getenv（“WORK_DIR”）；

String m_1=System.getenv（"WORK_DIR_1"，得到前面定義的變量地址。批處理文件中的內(nèi)容更改為："%ANSYS%"-p ane3fl-dir"%WORK_DIR%TotalWorkFile"-j"file"-s read-l en-us-b-i"%WORK_DIR%TotalWorkFileCDry1.txt"-o%WORK_DIR%TotalWorkFilefile.out"。ANSYS通過(guò)批處理方法執(zhí)行對(duì)應(yīng)的命令流文件，解決了從JAVA程序調(diào)用ANSYS計(jì)算模塊的問(wèn)題。以上的程序代碼實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸、調(diào)用和修改，是ANSYS二次開發(fā)與JAVA調(diào)用執(zhí)行的重要保證。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與結(jié)果驗(yàn)證

4.1 選擇尺寸和材料

以某柴油機(jī)干缸套熱機(jī)耦合分析為例，展示參數(shù)化建模、快速進(jìn)行有限元分析的全過(guò)程，并驗(yàn)證分析系統(tǒng)的可行性及準(zhǔn)確性。其尺寸參數(shù)，如表1所示。材料物性參數(shù)，如表2所示。

表1 主要尺寸參數(shù)Tab.1 Main Dimension Parameters

表2 缸套、缸體材料HT200參數(shù)Tab.2 HT200 Parameters of Cylinder Liner and Cylinder Material

4.2 邊界條件的確定

機(jī)械負(fù)荷中的螺栓預(yù)緊力公式[8]如下：

式中：T—螺栓預(yù)緊力矩（Nm）；

F0—螺栓預(yù)緊力（N）；

d2—螺紋中徑（m）；

ψ—螺紋升角（°）；

φv—螺紋副的當(dāng)量摩擦角（°）；

fc—摩擦系數(shù)；

D0—螺栓頭部環(huán)形支撐面外徑（m）；

d0—螺栓孔直徑（m）。

行程外的溫度和對(duì)流系數(shù)選用曲軸箱內(nèi)的數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度80℃，對(duì)流系數(shù)3000W/m2.k，默認(rèn)缸套與缸體熱傳導(dǎo)良好。熱機(jī)耦合分析的主要邊界條件，如表3所示。

表3 邊界條件Tab.3 Boundary Conditions

該系統(tǒng)分析得到的干式缸套在熱機(jī)耦合狀態(tài)下的應(yīng)力云圖，如圖3所示?？芍畲髴?yīng)力為528.1MPa，小于材料HT200的許用應(yīng)力800MPa，滿足材料強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力集中在氣體爆發(fā)壓力區(qū)域，支撐肩附近的應(yīng)力值達(dá)到最大。

圖3 氣缸套應(yīng)力云圖Fig.3 The Stress Cloud Chart of Cylinder Liner

4.3 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)典解析方法[10]，已螺栓預(yù)緊力作為外力p，產(chǎn)生的應(yīng)力公式為：

溫度場(chǎng)邊界條件，如表1、表2所示。可計(jì)算出總應(yīng)力δ在560MPa左右，誤差在5%以內(nèi)，屬于合理的誤差范圍，可能造成的誤差原因有：有限元分析時(shí)網(wǎng)格精度不高；公式適用于簡(jiǎn)化模型，最后計(jì)算出的結(jié)果有一定誤差。從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，本分析系統(tǒng)的結(jié)果是真實(shí)可靠的。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)有限元軟件使用中的問(wèn)題，通過(guò)JAVA平臺(tái)，結(jié)合ANSYS二次開發(fā)語(yǔ)言APDL進(jìn)行二次開發(fā)，建立了缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)，可以快速實(shí)現(xiàn)行不同種類缸套的有限元計(jì)算，并可快速查看結(jié)果，提高了分析效率。

（2）通過(guò)編制數(shù)據(jù)接口程序，完成了數(shù)據(jù)從JAVA平臺(tái)到ANSYS命令流文件的準(zhǔn)確傳輸，為以后的ANSYS二次開發(fā)提供了參考。

（3）采用開發(fā)的缸套熱機(jī)耦合分析系統(tǒng)，計(jì)算了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套在熱機(jī)耦合作用下的應(yīng)力。與經(jīng)典解析進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可行性和準(zhǔn)確性。